Fatigue des alliages ferreux - Définitions et diagrammes

La fatigue est la modification des propriétés des matériaux sous des efforts ou des déformations variables et répétés. En général, ce terme décrit les défail-lances qui conduisent à la fissuration et à la ruine des matériaux. La majorité des composants mécaniques critiques se ruine sous des sollicitations mécaniques alternées. On peut prendre comme exemples le vilebrequin, la bielle, les pignons pour l’industrie automobile, les trains d’atterrissage, les aubes de turbines et de compresseurs pour l’industrie aéronautique. En tant que mode de dégradation, la fatigue est associée à 50 à 90 % des cas de défaillances des systèmes mécaniques. Il est donc important de prendre en compte ce phénomène dans la conception mécanique.

Or, il est malheureusement souvent constaté, et ce depuis le début du xix^e siècle, la ruine, parfois catastrophique, d’un certain nombre de structures ou de composants mécaniques alors que ceux-ci ne sont soumis qu’à des sollicitations dynamiques jugées modestes par rapport aux capacités statiques des matériaux définis communément par leur résistance à la rupture et leur limite d’élasticité. Le responsable est l’endommagement par fatigue.

La ruine par la fatigue peut se présenter sous différents types de sollicitation, le plus simple étant la rupture induite par une sollicitation externe alternée. Si les contraintes résiduelles existent dans le matériau, celles-ci vont se superposer à des contraintes externes. Ces sollicitations peuvent également être combinées avec les autres sollicitations comme le fluage ou la fatigue thermique engendrée par une variation de température. Le fait de solliciter le matériau dans un environnement corrosif ou fragilisant accélère le phénomène de ruine. On peut également citer les cas comme la fatigue de contact ou « fretting fatigue ».

Il est indispensable de pouvoir, dès la phase de conception, chiffrer ce risque de ruine compte tenu des sollicitations imposées. Encore convient-il de préciser au préalable un certain nombre de termes et de notions et de savoir utiliser un diagramme d’endurance. Avec l’introduction du calcul des structures, il est aujourd’hui possible d’évaluer le niveau de contrainte dans des structures complexes, ce qui nécessite de nouveaux développements des critères de fatigue multiaxiale.

Nous allons donc décrire les différentes approches utilisables par les ingénieurs dans ce premier article. Ensuite, nous étudierons l’influence d’un certain nombre de facteurs (résistance à la traction du matériau, microstructure des matériaux, type de sollicitations, dimension, état de surface, contraintes résiduelles, température, corrosion, « fretting », fréquence, etc.) en indiquant autant que nous le pourrons les limites de leur emploi dans l’article [BM 5 043]. Enfin, nous donnerons des exemples de calcul de pièce en fatigue dans [BM 5 044] et [BM 5 045].